周 歡

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

0 前言

高性能混凝土（High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱“HPC”）因具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)在建筑行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，但是，其脆性易爆裂、耐火性差等缺點(diǎn)也一直是阻礙其發(fā)展的重要原因。近年來(lái)，HPC 不僅大量應(yīng)用于大跨度橋梁、隧道和高層建筑工程，在水庫(kù)大壩工程中也得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。水庫(kù)大壩在施工過(guò)程和竣工后使用過(guò)程均有發(fā)生火災(zāi)的可能，火災(zāi)發(fā)生時(shí)形成的高溫環(huán)境對(duì)混凝土力學(xué)性能與耐久性能存在很大的劣化作用[3]。相比于普通混凝土，在火災(zāi)發(fā)生的高溫環(huán)境下，HPC更容易發(fā)生剝落甚至爆炸現(xiàn)象，給災(zāi)后救援工作造成很大的不便。與普通混凝相比，HPC則更加密實(shí)，其內(nèi)部自由水的散發(fā)與排除也更加困難，這也是其在高溫環(huán)境易產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象的主要原因。有研究表明[4]，在高溫環(huán)境條件下，HPC內(nèi)部將會(huì)與外界形成的蒸汽壓力差，這將會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一定程度的拉伸應(yīng)力，其應(yīng)力值可達(dá)5 MPa 甚至更大，該應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致HPC 發(fā)生爆炸性剝蝕和脫落。因此，HPC的耐高溫性能是一個(gè)值得重視的問(wèn)題。

目前，針對(duì)高溫后混凝土性能變化問(wèn)題國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有了大量的研究，并取得了一些具有重要意義的成果，但有關(guān)高性能混凝土（尤其是可廣泛應(yīng)用于水庫(kù)大壩工程中的C60、C70 高性能混凝土[3]）耐高溫性能的相關(guān)研究仍需進(jìn)一步完善。鑒于此，本文以C60 混凝土為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行不同溫度和不同冷卻方式（4種不同溫度和2種冷卻方式）的處理后，測(cè)試其強(qiáng)度（包括抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度），并采用核磁共振技術(shù)測(cè)試其微觀孔結(jié)構(gòu)性能。研究結(jié)論對(duì)高性能混凝土在大跨度橋梁、高層建筑和大壩工程中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)和參考意義。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5 級(jí)硅酸鹽水泥，其主要性能見(jiàn)表1；粉煤灰：F 類Ⅱ級(jí)，45 μm 方孔篩篩余率為28.3%，需水量比為95.0%，燒失量為5.65%；礦粉：S95級(jí)，比表面積為435 m2/kg，流動(dòng)度比為98%，活性指數(shù)（28 d）為97%；采用細(xì)度模數(shù)為2.8 的普通河砂，5～20 mm 連續(xù)級(jí)配碎石；減水劑采用減水率為28%的高性能減水劑；水為實(shí)驗(yàn)室普通自來(lái)水。

表1 水泥物理力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

（1）高溫與冷卻。制作試件的邊長(zhǎng)為150 mm×150 mm×150 mm，將其在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d。待試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)其進(jìn)行干燥處理（將其置于溫度為105℃±5 ℃環(huán)境中烘干48 h）。將烘干后的試件置于高溫爐中進(jìn)行高溫試驗(yàn)，待高溫爐達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度后恒溫2 h，取出試件，采用不同的冷卻方式對(duì)試件進(jìn)行冷卻處理。高溫試驗(yàn)溫度設(shè)計(jì)為常溫對(duì)照組（20℃基）、高溫200℃、高溫400℃和高溫600℃4種，采用自然冷卻（NC）和浸水冷卻（WC）兩種冷卻方式對(duì)高溫后試件進(jìn)行冷卻處理。

（2）力學(xué)性能測(cè)試。按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2019）測(cè)試高溫冷卻后的各試驗(yàn)組混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度值。

（3）微觀孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。采用棱長(zhǎng)為70.7 mm 的立方體試件，與強(qiáng)度試件在相同條件下養(yǎng)護(hù)、處理，高溫完成后對(duì)其進(jìn)行真空飽水，采用多功能核磁共振微結(jié)構(gòu)分析與成像系統(tǒng)（Macro-MR12-150H-I）測(cè)試其T2譜分布。

1.3 配合比

以水庫(kù)大壩工程中常用的C60高性能混凝土為研究對(duì)象，配合比見(jiàn)表2。

表2 C60高性能混凝土配合比kg

2 結(jié)果與分析

2.1 劈裂抗拉強(qiáng)度

高溫冷卻后的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度值見(jiàn)圖1。由圖1 可知，與基準(zhǔn)組混凝土相比，自然冷卻條件下，經(jīng)歷200℃、400℃和600℃高溫的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低4.8%、12.0%和19.0%；浸水冷卻條件下混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低4.8%、17.5%和27.0%。浸水冷卻比自然冷卻后強(qiáng)度分別低0%、5.5%和9.8%。200℃高溫冷卻后，劈裂抗拉強(qiáng)度降低幅度較小，且其在自然冷卻和浸水冷卻條件下的差別不大；當(dāng)溫度大于等于400℃后，劈裂抗拉強(qiáng)度降低幅度明顯增大，且其在浸水冷卻后的降低幅度明顯大于自然冷卻。隨試驗(yàn)溫度的升高劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)。

圖1 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度值

2.2 抗壓強(qiáng)度

高溫冷卻后各試驗(yàn)組混凝土抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)圖2。由圖2 可知，與基準(zhǔn)組混凝土相比，自然冷卻條件下，經(jīng)歷200℃、400℃和600℃高溫的混凝土抗壓強(qiáng)度分別降低3.4%、10.4%和24.9%；浸水冷卻條件下混凝土抗壓強(qiáng)度分別降低5.7%、17.2%和31.0%。浸水冷卻比自然冷卻后強(qiáng)度分別低2.3%、7.3%和7.5%。結(jié)合圖1～2 可以看出，高溫后混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相似，均隨試驗(yàn)溫度的升高而降低，當(dāng)溫度大于200℃后其變化趨勢(shì)更為明顯。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度值

總體來(lái)看，高溫試驗(yàn)后的混凝土試塊的強(qiáng)度在相同恒溫時(shí)長(zhǎng)的條件下，隨最高恒溫溫度的升高逐漸減小，且高溫后浸水冷卻比自然冷卻對(duì)混凝土強(qiáng)度的劣化作用更加明顯。分析認(rèn)為，當(dāng)溫度小于200℃時(shí)，溫度作用對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)形貌的影響不明顯[5]，甚至有學(xué)者指出100℃左右有利于水化反應(yīng)的進(jìn)行[6]，所以當(dāng)溫度在200℃時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度下降速度稍慢；當(dāng)溫度大于200℃后，環(huán)境溫度較高會(huì)導(dǎo)致自由水蒸發(fā)，混凝土內(nèi)部自由水的蒸發(fā)導(dǎo)致其密實(shí)度不斷降低，孔隙率增大。當(dāng)溫度大于400℃后，水化硅酸鈣凝膠中結(jié)晶水將出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，導(dǎo)致其蒸發(fā)水量明顯增大，混凝土孔隙率進(jìn)一步增大；另一方面，水化產(chǎn)物也因脫水而破壞分解，水泥砂漿的收縮和骨料的膨脹明顯加劇，水化產(chǎn)物與骨料間的界面被破壞而黏結(jié)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)明顯降低。此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高溫后浸水冷卻比自然冷卻對(duì)混凝土強(qiáng)度的劣化作用更加明顯，這與孔艷慧[7]研究結(jié)論相同，即混凝土高溫后浸水冷卻會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部微裂紋數(shù)量和體積的增加，其性能的劣化將比常溫冷卻更為明顯。此外，水冷劣化作用隨溫度越高則越明顯，這也與本文的試驗(yàn)結(jié)果相符。

2.3 微觀孔結(jié)構(gòu)

2.3.1 核磁共振原理

NMR 技術(shù)將自由水水珠的直徑與弛豫時(shí)間相聯(lián)系起來(lái)，可以憑借弛豫時(shí)間的分布判斷水珠直徑分布規(guī)律，在試驗(yàn)之前需要對(duì)混凝土試件進(jìn)行真空飽水處理，以達(dá)到盡量讓混凝土內(nèi)部孔隙能充滿自由水的目的。混凝土中孔隙水的橫向弛豫時(shí)間t2可以表示為[8]：

1/t2≈ρ2S/V（1）

式中：ρ2為表面弛豫強(qiáng)度；S為孔隙表面積；V為孔隙體積。

2.3.2 結(jié)果及分析

在自然冷卻條件下，經(jīng)歷不同試驗(yàn)溫度后的混凝土T2譜特征參數(shù)分別見(jiàn)圖3、表3。

圖3 T2譜分布

由圖3 和表3 可以看出，與常溫下的混凝土相比，經(jīng)歷200℃高溫冷卻后的混凝土總峰值增大1.7%，與常溫下的混凝土差異并不顯著。經(jīng)歷400℃高溫冷卻后的混凝土總峰值增大152.5%，第一峰值峰面積增大122.3%，第二峰值峰面積增大309.6%。經(jīng)歷600℃高溫冷卻后的混凝土總峰值增大224.1%，第一峰值峰面積增大190.7%，第二峰值峰面積增大354.3%。分析認(rèn)為，當(dāng)溫度小于200℃時(shí)，溫度作用對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)形貌的影響并不顯著[7]，所以經(jīng)歷200℃高溫冷卻后的混凝土微孔結(jié)構(gòu)的變化不太明顯。當(dāng)溫度介于200℃～400℃之間時(shí)，混凝土脫水為物理脫水，其蒸發(fā)水為混凝土孔隙中的自由水，隨著自由水的逐漸蒸發(fā)，高溫作用對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的劣化作用已較為明顯，主要表現(xiàn)為混凝土T2譜各峰值面積與總峰面積的增大，進(jìn)而導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。當(dāng)試驗(yàn)溫度大于400℃后，水化硅酸鈣凝膠中結(jié)晶水開(kāi)始出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，蒸發(fā)水量明顯增大，混凝土孔隙結(jié)構(gòu)明顯劣化，T2譜各峰值面積與總峰面積明顯增加；此外，溫度較高時(shí)（大于400℃后）水化產(chǎn)物因脫水而破壞分解，導(dǎo)致水泥砂漿的收縮和骨料的膨脹明顯加劇，二者之間的界面被破壞，混凝土力學(xué)性能出現(xiàn)大幅度下降，這與上述的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果相符?？傮w來(lái)看，與常溫下的混凝土相比，經(jīng)歷高溫后的混凝土T2譜存在明顯的第三峰，隨試驗(yàn)溫度的增加混凝土T2譜各峰值峰面積與總峰面積呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，即隨試驗(yàn)溫度的增加混凝土孔隙結(jié)構(gòu)明顯劣化，混凝土強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，當(dāng)溫度超過(guò)400℃后其劣化作用更加明顯。

表3 T2譜特征峰面積

3 結(jié)論

（1）隨著試驗(yàn)溫度的升高，混凝土強(qiáng)度值呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)，浸水冷卻后的降低幅度明顯大于自然冷卻。

（2）與常溫下的混凝土相比，經(jīng)歷高溫后的混凝土T2譜存在明顯的第三峰，隨試驗(yàn)溫度的增加，混凝土T2譜各峰值峰面積與總峰面積呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，隨試驗(yàn)溫度的增加混凝土孔隙結(jié)構(gòu)明顯劣化，當(dāng)溫度超過(guò)400℃后其劣化作用更加明顯。